СПОСОБ СОЗДАНИЯ МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СВЧ СХЕМЫ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/02 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ и прежде всего - схем миллиметрового диапазона длин волн (ММДВ), монтируемых в волноводный узел.

Известно, что переход к гибридно-интегральным конструкциям при создании схем СВЧ-диапазона позволяет улучшить массогабаритные характеристики устройств, повысить их надежность, понизить стоимость. В качестве подложек используют кварц, дюроид и другие диэлектрики, отличающиеся низким значением диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь. Способ создания гибридно-интегральных схем СВЧ (ГИС СВЧ) на таких подложках (см., например, [1] ) заключается в формировании на них с помощью методов вакуумного напыления, электроосаждения и фотолитографии линий передачи, элементов согласования, пассивных элементов, фильтров, затем следует разделение подложки на отдельные чипы, каждый из которых содержит пассивную часть схемы, крепление (монтаж) в заранее предусмотренных местах кристаллов с активными элементами, защита схемы, при необходимости, и крепление ее в волноводный узел (корпус).

Недостаток известного способа создания интегральных схем СВЧ заключается в том, что при монтаже кристаллов с активными элементами в пассивную часть схемы трудно достичь воспроизводимости геометрического расположения и идентичности параметров (например, в балансных схемах). Это приводит к ухудшению параметров схемы, особенно ММДВ. Кроме того, монтаж кристаллов в схему очень трудоемок.

Известен способ создания МИС СВЧ и прежде всего схем ММДВ, который может быть взят в качестве прототипа, лишенный указанных недостатков [2]. Согласно этому способу МИС создаются на полупроводниковых пластинах с полуизолирующей подложкой из GaAs и выращенными на ней эпитаксиальными слоями. При этом элементы линий передачи, элементы согласования, фильтры и пассивные элементы создаются в едином технологическом цикле с активными элементами. После их формирования пластину разделяют скрайбированием или травлением на отдельные чипы, каждый из которых представляет монолитную СВЧ-схему, выполненную на полуизолирующей подложке. При таком способе изготовления МИС СВЧ исключается проблема невоспроизводимости геометрического положения активных элементов, значительно легче достигается идентичность параметров активных элементов, исключается трудоемкий процесс монтажа активных элементов в схему.

Недостатком такого способа создания МИС СВЧ является то, что использование такого способа создания МИС СВЧ является то, что использование арсенидогаллиевых полуизолирующих подложке приводит к значительным потерям в них СВЧ-мощности, более высоким, чем в случае использования кварцевых и дюроидных подложек. Кроме того, высокая диэлектрическая проницаемость подложки (ε ≃ 12,9 для GaAs) затрудняет согласование такой МИС с другими линиями передачи, в частности, с волноводами. В результате возникают дополнительные потери СВЧ-мощности, усложняется конструкция СВЧ-узла за счет необходимости дополнительной настройки. Кроме того, МИС СВЧ, изготовленные таким способом (в виде чипов), неудобны в монтаже.

Целью предлагаемого способа является уменьшение потерь СВЧ-мощности в МИС СВЧ и упрощение ее монтажа в волноводный узел (корпус) за счет удаления полупроводниковой пластины, за исключением отдельных ее участков (кристаллов) с расположенными на них активными и пассивными элементами и вспомогательных кристаллов, ориентированных определенным способом.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе создания МИС СВЧ, включающем формирование на полупроводниковой пластине с полуизолирующей подложкой и эпитаксильными слоями активных и пассивных элементов, элементов линий передачи и согласования, создают дорожки для разделения пластины на кристаллы, содержащие отдельные монолитные интегральные схемы, и одновременно с разделением полупроводниковой пластины на кристаллы каждый кристалл селективным травлением с использованием фоторезистивных масок разделяют на совокупность кристаллов меньших размеров. При этом расположение маскирующих участков фоторезиста выбирают таким образом, что на части оставшихся в результате травления кристаллов с лицевой стороны сформированы активные элементы, на другой части - пассивные элементы, а на третьей части - вспомогательные кристаллы. Указанные кристаллы покрыты с лицевой стороны частично или полностью металлизацией. Кроме того, для обеспечения устойчивого положения МИС в волноводном узле ориентацию пластины с поверхностью, совпадающей с плоскостью (100), при разделении ее на отдельные МИС выбирают таким образом, чтобы боковые грани кристаллов, соприкасающиеся с поверхностью волноводного канала, были ориентированы в плоскостях (011) или
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что операция разделения пластины на отдельные монолитные интегральные схемы травлением с обратной стороны совмещается с операцией формирования, вместо одного кристалла, совокупности кристаллов меньших размеров на каждой схеме. Для их формирования предварительно создается необходимый фотошаблон. Геометрия фотошаблона определяется характером монолитной схемы и в общем случае предусматривает формирование кристаллов трех типов: на кристаллах первого типа с лицевой стороны сформированы активные элементы, на кристаллах второго типа - пассивные элементы, кристаллы третьего типа - вспомогательные. Лицевая сторона кристаллов частично или полностью покрыта металлизацией, так что металлизация связывает все кристаллы между собой, часть вспомогательных кристаллов служит для скрепления схемы в единое целое, а часть располагается таким образом, что при дальнейшем монтаже схемы в волноводный узел позволяет зафиксировать ее в нужном месте. Для обеспечения устойчивого положения МИС в волноводном узле боковые грани кристаллов, соприкасающиеся с поверхностью волноводного канала, должны обеспечить плотный, плоский контакт. С этой целью при разделении пластины на отдельные МИС ее ориентируют таким образом, чтобы плоскости контактирующих с волноводом граней кристаллов совпадали с кристаллографическими плоскостями (011) и которые создают при травлении правильную прямоугольную огранку кристаллу.

Поскольку в результате используемого способа большая часть полупроводниковой пластины удаляется и остается ее незначительная часть, то потери СВЧ-мощности в такой схеме минимальны, по той же причине (отсутствие подложечного материала с большим значением диэлектрической проницаемости) и благодаря относительно малой толщине металлизации становится возможным достаточно простое включение схемы в Е-плоскость волновода (путем зажима между половинками волновода), значительно упрощается ее согласование по входу и выходу, уменьшаются потери мощности на рассогласование. Наконец, благодаря формированию в процессе разделения пластины совокупности кристаллов с прямоугольной огранкой по плоскости (011) и обеспечивается устойчивое положение схемы в волноводном узле перед монтажом, благодаря тесному, плоскому контакту кристаллов с волноводом. Это исключает возможность нарушения положения схемы в волноводном канале (например, из-за случайного прикосновения инструмента и оснастки) и тем самым значительно упрощает процесс сборки (монтажа).

Таким образом, по совокупности операций предлагаемый способ создания МИС СВЧ соответствует критерию "новизна". Сравнение с другими известными способами создания монолитных интегральных схем (арсенидогаллиевых схем сантиметрового диапазона [3] и кремниевых ИС [4] позволяет сделать вывод и о соответствии критерию "существенные отличия". Подтверждение этому является и существенное отличие конструкции монолитной СВЧ-схемы, изготовленной предлагаемым способом, как следует из описания схемы.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 представлен фрагмент полупроводниковой пластины со сформированными на ней интегральными схемами. Для примера использована монолитная схема переключателя на диодах с барьером Шоттки (БШ):1 области со сформированными активными элементами (три последовательно соединенных диода с БШ), 2 - вывод для подачи постоянного смещения на диоды, 3 - четвертьволновые отрезки щелевой линии передачи, 4 - разрывы в металлизации (дорожки) для разделения пластины от отдельные схемы, 5 - щель для изоляции вывода 2 по постоянному току.

На фиг. 2 представлен фрагмент той же пластины (с обратной стороны), подготовленной к операции разделения на отдельные схемы травления положки: 1' - участки фоторезиста, маскирующие активные элементы (последовательно соединенные тройки диодов с БШ); 6', 7' и 8' - участки фоторезиста, маскирующие области подложки (кристаллы), служащие для скрепления схемы (6'и 7') и для фиксирования схемы в корпусе (8'). Ориентация участков 7'и 8'относительно основных кристаллографических направлений в пластине показана с помощью системы координат, приведенной в правом нижнем углу.

На фиг. 3 представлена монолитная интегральная схема переключателя - вид с обратной стороны (со стороны подложки), получаемая в результате разделения пластины на схемы травлением с обратной стороны 1, 6, 7 и 8 - полупроводниковые кристаллы, выполняющие различные функции.

На фиг. 4 показана с лицевой стороны монолитная интегральная схема переключателя, закрепленная в волноводный узел (корпус)(обозначения прежние).

Фиг. 3 и 4 поясняют назначение различных кристаллов, создаваемых в результате разделения пластины на отдельные схемы. На кристаллах 1 с лицевой стороны сформированы активные элементы (диодные тройки с БШ). Кристаллы 6 и 7 служат для скрепления схемы в единое целое. В отсутствие этих кристаллов схема "рассыпается", поскольку вывод для подачи смещения 2 должен быть изолирован от корпуса схемы (волновода), см. фиг. 4. Одновременно на кристаллах 6 и 7 с лицевой стороны сформированы пассивные элементы - емкость на основе МДП-структур или БШ, обеспечивающие низкое сопротивление по СВЧ-сигналу. 8 - вспомогательные кристаллы для фиксирования монолитной схемы в корпусе при монтаже. На фиг. 4 показано, что кристаллы 8, а также кристаллы 7 жестко закрепляют положение схемы в волноводном узле и тем самым исключают случайное смещение схемы (от толчков, прикосновений инструментов) при окончательном ее закреплении с помощью сварки, термокомпрессии или другим методом.

Схема крепится в Е-плоскости волновода к одной из половинок волноводного узла (фиг. 4). Поскольку толщина в этих местах полупроводниковой пластины становится малой (равной толщине металлизации схемы 6 - 12 мкм), то нет необходимости в специальной выемке для схемы. Это значительно упрощает окончательную сборку узла: схема может быть закреплена между двумя половинками узла даже простым механическим прижимом, без приварки или термокопрессии к одной из них. Отсутствие подложки значительно упрощает согласование схемы с волноводным трактом и позволяет исключить дополнительные потери на рассогласование, ориентация боковых граней кристаллов 7 и 8 по плоскостям (011) и обеспечивает надежное закрепление схемы в волноводном узле перед монтажом.

Предлагаемый способ создания монолитной интегральной СВЧ-схемы реализуют следующим образом.

В качестве полупроводниковых пластин используются арсенидогаллиевые структуры i+n+-n-типа: на полуизолирующей подложке выращен буферный слой n+(n⁺>2•10¹⁸см^-3 толщиной 3 - 5 мкм и "рабочий" слой n-типа (n=(5-10)•10¹⁶ см^-3 толщиной 0,1 - 0,3 мкм. На этой пластине известными методами формируются диоды с барьером Шоттки с планарными выводами: четыре группы по три последовательно соединенных диода в каждой.

Для формирования планарных ДБШ может быть использован способ, описанный в статье: W.L.Bichop, K.Mokinney, R.J.Mattauch, T.W.Growe, G.Creen. A novel whiskerless Schottky diode millimeter and submillimeter wave application// IEEE MTT-S, Unt.Microwave Symp.Dig. - 1987. - V. 2. - P. 607. Согласно этому способу барьер Шоттки и омический контакт формируются во вскрытых в SiO₂ окнах путем нанесения металлизации Pt-Cr-Au и Sn/Ni-Ni-Au, соответственно. Для уменьшения паразитной емкости ДБШ анодный вывод к БШ изолируется от полупроводника путем вытравливания под ним канала глубиной до i-подложки. Металлизация Cr-Au наносится на всю пластину и служит для формирования ДБШ и топологии остальной схемы одновременно. Для этого проводятся фотолитография и электрохимическое осаждение золота в окна, вскрытие в фоторезисте. При этом формируются полосковый вывод 2 для подачи постоянного смещения на диоды, элементы щелевых линий 3, щели 5 для изоляции вывода 2 по постоянному току и разрывы в металлизации (дорожки) 4 - для разделения в дальнейшей пластины на отдельные монолитные схемы. Для того чтобы после разделения пластины на отдельные схемы последние сохраняли упругость и прочность, необходимые для проведения операции сборки, одновременно не допускали разрывов в области крепления кристаллов к схеме в процессе механических и климатических испытаний, осаждение золота ведется до толщин 6 - 12 мкм. Утолщение золотой металлизации ведется избирательно: после достижения 2 - 3 мкм области активных элементов защищаются фоторезистом, и затем проводится дальнейшее осаждение до 6 - 12 мкм. После этого удаляются фоторезист и подслой Cr-Au под ним. Малая толщина металлизации в области активных элементов (2 - 3 мкм) необходима, чтобы избежать больших механических напряжений, отрицательно влияющих на характеристики активных элементов (ДБШ).

Перед разделением пластины на отдельные монолитные интегральные схемы с лицевой стороны схемы проводится вытравливанием n и n+-слоев в щели 5 и в области щелевой линии 3. При этом области диодных троек 1 и обратная сторона пластины маскируются, травление необходимо, чтобы устранить шунтирование в схеме по проводящей части полупроводниковой структуры. В результате травления участки металлизации, разделенные щелью 5, оказываются соединенными между собой малой емкостью БШ.

Для проведения операции разделения пластины на отдельные схемы подложка стравливается до толщины 70 - 100 мкм. Затем наносится фоторезист и проводится его экспонирование через специальный фотошаблон, спроектированный таким образом, чтобы после экспонирования и проявления остались участки 1', 6' 7' и 8' (фиг.2). Учитывая, что кристаллы под участками фоторезиста 7' и 8' предназначены для закрепления схемы в волноводном узле, их выполняют в виде прямоугольников и пластину предварительно ориентируют таким образом, чтобы стороны участков 7'и 8' совпадали с направляющими [011] и [011], перпендикулярными соответствующим плоскостям. Далее, используя эти участки фоторезиста в качестве маски, проводят травление открытой части подложки вплоть до металлизации, в результате чего пластина разделяется на отдельные схемы по дорожкам 4 (фиг. 2) и одновременно формируются кристаллы 1, 6, 7, 8 (фиг. 2, 3), причем боковые грани кристаллов 7 и 8 ориентированы по плоскостям (011) и (011). В результате достигаются цели предлагаемого способа: уменьшаются потери мощности в подложке за счет удаления большей ее части и повышается удобство монтажа схемы в корпус за счет специально ориентированных кристаллов 7 и 8, надежно фиксирующих положение схемы в волноводном узле (корпусе).

Предлагаемый способ создания монолитной интегральной СВЧ-схемы носит универсальный характер, так как может быть использован для создания схем различного типа: смесителей, детекторов, ограничителей, переключателей и т.д. и многофункциональных устройств на их основе.

Использование предлагаемого способа позволит улучшить массогабаритные характеристики аппаратуры и снизить трудоемкость изготовления за счет упрощения конструкций, повысить надежность и улучшить характеристики.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано при создании монолитных интегральных схем СВЧ и прежде всего схем миллиметрового диапазона длин волн, монтируемых в волноводный узел. Согласно изобретению в процессе разделения пластины на отдельные схемы каждый кристалл, содержащий отдельную схему, селективным травлением разделяют на совокупность кристаллов меньших размеров с одновременным удалением большей части подложки схемы, при этом расположение маскирующих участков фоторезиста при разделении выбирают таким образом, чтобы боковые плоскости кристаллов, предназначенных для закрепления схемы в волноводе, были ориентированы по плоскостям. Техническим результатом является уменьшение потерь СВЧ-мощности и упрощение монтажа схемы. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания монолитной интегральной СВЧ схемы, при котором на полупроводниковой пластине с полуизолирующей подложкой формируют активные и пассивные элементы, элементы линий передачи и согласования, создают дорожки для разделения полупроводниковой пластины на отдельные монолитные интегральные схемы и последующим травлением с обратной стороны полупроводниковой пластины разделяют ее по дорожкам на кристаллы, содержащие отдельные монолитные интегральные схемы, отличающийся тем, что одновременно с разделением полупроводниковой пластины на кристаллы каждый кристалл разделяют на совокупность кристаллов меньших размеров, выполняющих различные функции, лицевая сторона которых частично или полностью покрыта металлизацией. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что совокупность кристаллов меньших размеров выполняют трех типов: на кристаллах первого типа с лицевой стороны формируют активные элементы, на кристаллах второго типа - пассивные элементы, кристаллы третьего типа являются вспомогательными. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отдельные монолитные интегральные схемы утолщают избирательно. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что кристаллы с пассивными элементами служат для скрепления монолитной интегральной схемы в единое целое и закрепления ее в волноводном узле, а вспомогательные кристаллы - для фиксирования и закрепления ее в волноводном узле. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при разделении полупроводниковой пластины на отдельные монолитные интегральные схемы ее ориентируют таким образом, чтобы плоскости контактирующих с волноводным узлом граней кристаллов совпадали с кристаллографическими плоскостями (011) и